Tema 3 - Biofisica da membrana e eletrogenesis

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TEMA 3 
BIOFÍSICA DA MEMBRANA. 
ELETROGÊNESIS 
 
 
 
1. Membrana celular. 
2. Potencial membrana. Equação de Goldman. 
Equação de Nerst. 
3. Transporte ativo e passivo. Bomba de 
Na+/K+. 
4. Potencial de ação. 
5. Anomalias nos canais iônicos. 
 
 
 1.1 Membrana celular 
• A membrana celular separa o interior do exterior da célula protegendo a célula do 
exterior. 
• A membrana celular é semipermeável (seletivamente permeável)  Sistema 
termodinâmico aberto! 
• Compõe-se de: 
• Uma bicamada de fosfolípidios e colesterol (30%~75% do volume)  O 
empacotamento dos fosfolipídios impede a passagem de íons e água. 
• Proteínas (25%~80% do volume)  Permitem uma passagem seletiva de 
íons e água. 
• Carboidratos (até 10%) 
 
 1.2 Dentro e fora da membrana 
Distribuição assimétrica de íons 
Íons Concentração 
intracelular 
(c2,mmol/l) 
Concentração 
extracelular 
(c1,mmol/l) 
K+ 124,0 2,3 
Na+ 10,4 109,0 
Ca++ 4,9 2,1 
Mg++ 14,0 1,3 
Cl- 1,5 77,5 
HCO3
- 12,4 26,6 
Íons orgânicos 74,0 13,0 
• O interior celular possui uma carga elétrica 
líquida (-Q) negativa que se acumula na 
camada interna da membrana 
• O exterior celular possui uma carga elétrica 
líquida (+Q) positiva que se acumula na 
camada externa da membrana 
 
 
+Q -Q 
 2.1 Potencial membrana repouso 
Distribuição assimétrica íons implica que: 
• Interior celular negativo  Potencial 
elétrico negativo  As cargas positivas 
poderiam ir (passivamente) na direção 
desse menor potencial 
• Exterior celular positivo  Potencial 
elétrico positivo  As cargas negativas 
poderiam ir (passivamente) na direção 
desse maior potencial 
 
*Convenção: Exterior celular  V = 0 Volts 
 2.2 Potencial membrana repouso 
Membrana  Capacitor de placas plano paralelas  Bateria elétrica !! 
Potencial elétrico?? 
 Energia potencial elétrica
 
 Carga elétrica positiva
ee
UU
V
q q
 
  
 
e eU W F x    
Energia (elétrica)  Capacidade de realizar trabalho (W). Ou seja, capacidade 
de aplicar uma força (elétrica, Fe) que produza um deslocamento (Dx) 
A diferença de potencial DV entre o interior e o 
exterior da membrana faz com que a célula tenha 
uma energia constante para realizar trabalhos 
+Q 
-Q 
 2.3 Equação de Goldman 
Fluxo de um íon qualquer i através da membrana semipermeável (Ji) 
= 
Fluxo difusão (Jdifusão) devido a diferenças de concentração do íon in e out 
+ 
Fluxo elétrico (Jeletrico) devido a diferenças de carga in e out 
in 
- 
Cin 
out 
+ 
Cout 
Je 
Jd 
0difusão eletrico i i i i i i
i i i i i i
dc z c F dc z c F VdV
J J J D D D
dl RT dx dl RT L
 
        
 
Equação de Goldman  Fluxo líquido do íon i através da membrana, onde: 
• Di, constante de difusão 
• ci, concentração local do íon i 
• dci/dl, gradiente de concentração do íon i ao longo da distancia dl 
• dV  V0, potencial em repouso 
• zi, Valencia do íon i 
• F, constante de Faraday 
• R, constante universal dos gases 
• T, temperatura 
• dx  L, largura da membrana 
 2.4 Equação de Nerst 
0i i i
i i
dc z c FV
J D
dl RTL
 
   
 
     
     0
ln
Na K Clout out out
Na K Clin in in
P Na P K P ClRT
V
F P Na P K P Cl
  
  
   
No equilíbrio 
 (Modelo de Donnan) 
Jtotal = 0 
Equação de Goldman 
Fluxo de íons 
Equação de Nerst 
Potencial repouso 
Íons Concentração intracelular (c2,mmol/l) Concentração extracelular (c1,mmol/l) Potencial de Nerst cada íon (mV) 
K+ 124,0 2,3 -100,0 
Na+ 10,4 109,0 58,7 
Ca++ 4,9 2,1 -12,1 
Mg++ 14,0 1,3 -30,2 
Cl- 1,5 77,5 -90,6 
HCO3
- 12,4 26,6 -15,8 
Íons orgânicos 74,0 13,0 
Equação de Goldman  Potencial membrana em repouso (V0), onde: 
• Pi, permeabilidade do íon i  , onde ni é o número de canais de íons, 
Gi é a condutância de cada canal e fi é a fração de tempo que o canal fica aberto. 
• [Na], [K], [Cl], concentração dos íons Na, K, Cl 
• R, constante universal dos gases 
• T, temperatura 
• F, constante de Faraday 
in
i i ii
P G f
 2.5 Potencial membrana repouso 
Células eucarióticas  Mantem um potencial membrana em repouso entre -10 mV (glóbulos 
vermelhos) e -90 mV (células musculares do esqueleto). Este potencial é útil para: 
1. Fornecer energia para diversos mecanismos moleculares na membrana (bateria celular) 
2. Transmitir sinais entre partes diferentes da célula em células excitáveis (neuromas, 
células musculares) mediante despolarização e repolarização  Potencial de ação 
Devido a uma distribuição assimétrica de íons 
(Na+, K+, Cl-, HPO3-,...) 
Mas... Quem cria o potencial membrana em repouso??? 
3.1 Mecanismos de transporte celular 
• Transporte passivo  Transporte de substâncias de um meio de maior 
concentração para outro de menor concentração (devido ao gradiente de 
concentração)  Sem gastar energia porque tende a desordenar. 
• Difusão simples 
• Difusão de água (Osmose) 
• Difusão gasosa (O2  Mitocôndria  CO2) 
• Difusão facilitada  Difusão com ajuda  Mais rápida 
• Transporte ativo  Transporte de substâncias de um meio de menor 
concentração para outro de maior concentração (contra ao gradiente de 
concentração)  Gastando energia porque tende a ordenar. 
• Bomba de Na+/K+  Mantem o potencial membrana 
• Bomba de Ca2+  Atividade cardíaca, contração muscular! 
• Transporte em bloco  Entrada ou saída de moléculas grandes demais. Neste 
casso as partículas são englobadas  Gasta energia 
• Endocitose 
• Exocitose 
3.2 Transporte passivo (facilitated diffusion) 
• Transporte passivo  No sentido de aumento da desordem (DSsistema > 0), 
sentido natural dos sistemas físicos  Sem consumir energia (ATP) 
• Moléculas polares (exceto água) e íons não podem atravessar a membrana 
devido a sua natureza hidrofóbica exterior (apenas moléculas não polares como 
O2 podem). Mas, o transporte pode ser efetuado com ajuda (difusão facilitada  
más rápida do que a difusão) de proteínas específicas na membrana: 
• Moléculas grandes (Glucose, aminoácidos e vitaminas)  Proteínas 
transportadoras de iones (Ion carrier proteins) 
• Íons Na+ e K+ (só!!)  Proteínas canalizadoras de iones (Ion protein 
channels) 
 3.3 Bomba de Na+/K+. Por que? 
Bomba Na+/K+  Faz com que V2 (dentro) < V1 (fora) 
Concentração de íons  Osmolaridade (Quantidade íons / Volume) 
Quando c2 (dentro) > c1 (fora)  A água quer fluir para dentro (osmose) para 
equilibrar a osmolaridade  A célula, permeável à água, se incha  A 
membrana quebra, levando à morte da célula (Lysis) 
Antes da célula começar a inchar  A bomba de Na+/K+ se ativa diminuindo c2 (dentro) 
 Aumenta a carga negativa interior e a positiva exterior  Potencial membrana 
Se apenas atuasse o transporte passivo 
(espontâneo pois aumenta a desordem)  A 
concentração de íons dentro e fora seria a 
mesma devido à difusão  Não existiria o 
potencial membrana  A célula não poderia 
transmitir impulsos nervosos (potencial de ação)! 
 Quem luta contra a desordem?  Quem paga 
a fatura elétrica para manter a bateria? 
Existe um mecanismo que mantém o potencial membrana  Bomba Na+/K+ 
 3.4 Transporte ativo. Bomba de Na+/K+ 
Bomba de Na+/K+  Mecanismo para manter um potencial constante 
(potencial de membrana de repouso) entre o interior da célula e exterior 
Transporte ativo (requer a energia do ATP para trabalhar contra a difusão)  
Movimento de íons contra o gradiente usando a energia do ATP (Hidrolise)  
2K+ entram enquanto 3Na+ saem  Remove uma carga positiva liquida do 
interior  O interior da célula fica a um potencial negativo 
Alta concentraçãode íons K+ dentro da célula e baixa de íons Na+ 
Proteína 
Na/K/ATPase 
4.1 Potencial de ação 
Potencial membrana  Vm = V0 + V(t) 
• V0  Potencial de repouso (estado estacionário) 
• V(t)  Potencial de ação  Variação brusca de potencial (por transporte passivo) 
que produz propagação de informação  Movimento muscular, pensamento cerebral 
Potencial de ação (curva não sombreada): 
• Despolarização  Corrente de entrada de Na+ 
devido a um aumento na membrana da 
condutividade para o íon Na+ (GNa) 
• Repolarização  Corrente de entrada de K+ devido 
a um aumento na membrana da condutividade para 
o íon K+ (GK) 
• Hiperpolarização  Devido a que a condutância ao 
K+ permanece aumentada por mais tempo 
Potencial de ação do axônio gigante da lula: 
• Potencial repouso  V0 = -45 mV (Membrana 
polarizada) 
• Fase de despolarização (D) 
• Fase de repolarização (R) 
• Fase de hiperpolarização 
4.2 Potencial de ação 
Potencial de ação (Impulso nervoso): 
1. Estímulo excitatório local que abre os 
canais de Na+ voltagem-dependentes 
(ion protein channels)  Difusão de 
Na+ para o interior favorecido pelo 
potencial  Reversão do potencial 
negativo da membrana (Depolarização). 
2. Ao atingir +40 mV fecham-se os canais 
voltagem-dependentes de Na+ e 
abrem-se os canais de K+ voltagem-
dependentes (ion protein channels)  
Difusão de K+ para o exterior favorecido 
pelo potencial  Restituição do 
potencial membrana (Repolarização). 
3. Os canais de K+ demoram mais tempo 
em fechar  O interior da célula se 
torna mais negativo (Hiperpolarização). 
4. A bomba de Na/K se ativa até restituir o 
potencial em repouso original (Período 
refratário) 
 5.1 Fatores que alteram o Vm 
O Potencial membrana pode ser alterado por: 
1. Diminuição da atividade da bomba Na+/K+  Intoxicações digitálicas (Digitálicos: 
Remédios contra insuficiências cardíacas) . Produzem vasoconstricção. 
2. Diminuição na produção de ATP: 
• Anoxia: Ausência de oxigênio. Caso for prolongada  Lesões cerebrais 
• Inibição metabólica  Venenos: 
• Cianeto: Carrega positivamente o interior da célula e afeita ao transporte de 
oxigênio 
• Dinitrofenol (DNP): Freia a produção/uso de ATP  A bomba Na+/K+ para!! 
3. Ação das drogas  Alteram a permeabilidade da membrana aos íons  Vasodilatação 
• Sustâncias abridoras do canal K+  Hiperpolarização da célula 
• Acetilcolina  Redução da força de contração cardíaca 
• Minoxidil Tratamento contra a hipertensão e calvície! 
• Sustâncias bloqueadoras do canal K+  Despolarização da célula 
• Amiodarona Relaxa os músculos lisos aumentando a duração do potencial 
de ação  Controle das arritmias 
• Sustâncias bloqueadoras do canal Na+  Cocaína, anestesia,.. 
• Sustâncias abridoras do canal de Cl-  Álcool etílico, ansiolíticos,... 
5.2 Doenças associadas a 
defeitos nos canais iônicos 
Arritmias Resposta hipermetabolica após anestesia